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INTRODUCTION : Le charbon actif est connu pour le traitement de l’eau depuis 20

INTRODUCTION : Le charbon actif est connu pour le traitement de l’eau depuis 2000 ans. Il a été commercialisé au début du XX ème siècle pour la décoloration du sucre principalement. Dès 1930, il est utilisé dans le traitement de l’eau pour supprimer l’odeur et le goût. A cette époque, il n’était disponible que sous forme de charbon actif en poudre. Le charbon actif en grain a vu le jour durant la première guerre mondiale : il était utilisé dans les masques à gaz. Par la suite, l’utilisation du charbon actif s’est répandue ; il est actuellement principalement utilisé pour : le traitement de l’eau ; la purification de l’air ; la pharmacie ; l’exploitation minière etc. QU’EST-CE QUE LE CHARBON ACTIF ? DEFINITION : Le charbon actif est un squelette carboné qui, par oxydation ménagée, a acquis une intense porosité. Sa structure est voisine de celle du graphite. Elle se présente sous la forme d'un empilement de couches successives planes d'atomes de carbone ordonnés en hexagones réguliers. Matériaux constitutifs Le charbon actif peut être produit à partir de nombreux matériaux contenant du carbone. Le plus souvent, on utilise la houille, le bois, la noix de coco, ou la lignite pour des raisons économiques. On distingue le charbon actif végétal et le charbon actif minéral en fonction du matériau d'origine. MATERIAUX CONSTITUTIFS : Le charbon actif peut être produit à partir de nombreux matériaux contenant du carbone. Le plus souvent, on utilise la houille, le bois, la noix de coco, ou la lignite pour des raisons économiques. On distingue le charbon actif végétal et le charbon actif minéral en fonction du matériau d'origine. PROPRIETES : Un certain nombre de paramètres permettent de caractériser un charbon actif et de déterminer ses conditions d'utilisation. Ils sont détaillés ci-dessous. • Le volume poreux et la taille des pores -- Selon la classification IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), les tailles de pores sont réparties en 3 classes: Micropore < 1nm (1nm=10 -9 m) Mesopore 1 – 25 nm Macropore > 25nm Le volume poreux total des charbons actifs est de 0,5 à 1 cm 3 .g -1 (50 à 70% en volume). • La surface spécifique -- Elle correspond à la surface des pores. Le volume poreux étant important, la surface développée est énorme : de 500 à 1500 m².g -1 . Ce sont essentiellement les micropores et mésopores qui créent de la surface. La capacité d’adsorption est proportionnelle à la surface. • La taille des grains -- Elle conditionne la vitesse d'adsorption (plus le grain est petit, plus le transfert vers le centre est rapide) et la perte de charge à travers le lit. • La dureté -- Elle représente la résistance au tassement, à la friction et aux vibrations pendant la phase de lavage. • La densité – Plus le charbon est activé, plus il est léger. La densité indique le niveau d’activation du charbon actif. Elle conditionne l'efficacité des traitements et c'est également un élément déterminant de son prix. La densité du charbon actif utilisé pour le traitement de l’eau est en général comprise entre 0.20 et 0.55 g/cm 3 . L’expérience montre que quand la densité est supérieure à 0.35 g/cm 3 , le lit du charbon actif fonctionne mieux. (RICHARD Y., 1970s) • Indice d’iode -- La performance du charbon actif est évaluée par sa capacité d'adsorption de l'iode, prise comme substance de référence. L'indice est proportionnel au nombre de micropores. Plus il est grand, meilleur est le niveau d’activation et donc meilleure sera la capacité d’adsorption. • La teneur en cendres – Elle est importante car elle peut gêner la mise en place du charbon. La teneur en cendres du charbon actif appliqué au traitement de l’eau devra être la plus basse possible, surtout si l’eau est dure, et en aucun cas, dépasser 10%. (RICHARD Y., 1970s) FORMES : Le charbon actif est principalement disponible sous deux formes différentes : en poudre ou en grain. Charbon actif en poudre (CAP) Charbon actif en poudre (CAP) : Le charbon actif en poudre prend la forme de grains de taille comprise entre 10 et 50 µm. Sous cette forme, il s’utilise souvent pour le traitement de l’eau et du gaz. Dans le premier cas, il est généralement utilisé en combinaison avec un traitement clarificateur pour augmenter le temps de contact entre le charbon et l’eau. (Lenntech, 2004) Charbon actif en grain (CAG) : La forme du CAG est irrégulière et sa taille est comprise entre 0.2 – 5 mm. Il est majoritairement utilisé pour l'élimination des micros polluants organiques et de la matière organique des eaux, mais il est également appliqué au traitement des gaz. Les caractéristiques physiques du CAG varient considérablement selon les matériaux constitutifs et le mode de fabrication. COMMENT SONT-ILS FABRIQUES ? En fonction de la nature du matériau constitutif, de la forme physique du produit désiré et des caractéristiques souhaitées, deux procédés sont appliqués pour la fabrication de charbon actif. Procédé physique : Ce procédé est scindé en deux étapes distinctes. Le matériau premier est d’abord carbonisé à une température d'environ 600 °C pendant 6 à 8 h. Il est ensuite activé par oxydation ménagée à haute température (700 à 1000 °C). Au cours de cette seconde étape, il est mis en présence d'un mélange faiblement oxydant de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone pendant 24 à 72 h. Le carbone est consommé par la réaction : C + H2O -> CO + H2 Le procédé est décrit sur le schéma ci-dessous : Procédé chimique : La carbonisation et l'activation sont réalisées simultanément entre 400 et 600 °C en présence d'acide phosphorique ou de chlorure de zinc. Précisons que ce dernier est interdit pour les applications agro- alimentaires. Ces agents interviennent comme catalyseurs d'oxydation et permettent à la fois le développement de la microporosité et de la méso porosité par élargissement du diamètre des pores. Le procédé est décrit sur le schéma ci-dessous : DOMAINES D’APPLICATION ET PERFORMANCES O TRAITEMENT DES EAUX On utilise le charbon actif pour traiter les eaux potables, les eaux usées, les eaux résiduaires industrielles, ainsi que les eaux de piscine, etc… Selon les types d'eaux à traiter, le charbon actif est employé principalement de deux façons : en suspension, dans le cas du charbon actif en poudre, comme lit filtrant, dans le cas du charbon actif en grains. Le charbon actif en poudre est souvent utilisé comme moyen très efficace de lutter contre les épisodes de pollutions accidentelles et saisonnières (algues toxiques, pesticides, couleur etc…) (PICA, 2004), alors que le charbon actif en grain est principalement appliqué dans les cas suivants : le traitement d’affinage ; le traitement par adsorption d’un polluant spécifique : pesticides, solvants chlorés, etc… ; Carbonisation + Activation 400 – 600°C pendant 5 – 24 heures Charbon actif Matériau premier Matériau premier Charbon actif Activation 700 – 1000°C pdt 24-72h Carbonisation 600°C pdt 6-8h la dé chloration la réduction des goûts et des odeurs le support biologique : nitrification, déferrisation, démanganisation. Les facteurs qui influencent l'activité du charbon actif dans le traitement de l'eau sont (Lenntech, 2004) : • le type de composé à supprimer (les composés qui ont un poids moléculaire élevé et une faible solubilité sont mieux adsorbés) ; • la concentration du composé à supprimer (plus la concentration est élevée, plus la consommation de charbon est grande) ; • la présence d'autres composés organiques qui vont être en concurrence avec les sites d'adsorption disponibles • le pH de l'eau (par exemple, les composés acides sont mieux adsorbés à pH faible) ; • la température de l’eau. Lors d’un traitement à l’échelle industrielle, on obtient de meilleures performances sur du charbon actif en grains que sur du charbon en poudre. (RAVARINI P., 2004.) On évite souvent le charbon actif en grain à base de noix de coco ou de bois pour privilégier celui à base de houille qui est moins cher. TRAITEMENT DE L'AIR Aujourd’hui, la réglementation environnementale devient de plus en plus stricte sur la qualité de l’air émis par les industries. Elles utilisent donc le charbon actif pour récupérer les solvants et les hydrocarbures volatils dans l’air. Le charbon actif est également utilisé pour la désodorisation de l’air. L’utilisation du charbon actif à base de noix de coco est assez répandue pour la purification de l’air. Les facteurs qui influencent l'activité du charbon actif pour le traitement de l'air sont (Lenntech, 2004) : • le type de composés à supprimer : en général, les composés ayant un grand poids moléculaire, une basse pression de vapeur saturante, un point de fusion élevé et un indice de réfraction élevé sont les mieux adsorbés ; • la concentration : plus la concentration est élevée, plus la consommation de charbon est grande ; • la température : plus la température est basse, meilleure est la capacité d'adsorption ; • la pression : plus la pression est élevée, meilleure est la capacité d'adsorption ; • l’humidité : plus l'humidité est faible, meilleure est la uploads/Finance/ filtration-de-charbon.pdf